平邑縣安泰石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性綜合評價(jià)方法

孟婷婷,馬鵬

(臨沂市國土資源局，山東 臨沂 276000)

0 引言

臨沂市石膏資源豐富，目前已探明的儲(chǔ)量位居全國地級(jí)市第二位。大規(guī)模的開采石膏礦，一度促進(jìn)了地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，但創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)也留下了極大的安全隱患。大面積的采空區(qū)導(dǎo)致地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)，2015年12月25日，玉榮商貿(mào)有限公司石膏礦區(qū)發(fā)生的采空區(qū)坍塌事故就是其中一例。該事故導(dǎo)致1人死亡，13名礦工失聯(lián)，360余公頃(5400余畝)農(nóng)田受損，同時(shí)塌陷造成周圍幾個(gè)村莊的民房受損、地下水位下降，嚴(yán)重危害了人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全[1]。各級(jí)政府高度重視石膏礦采空區(qū)防治工作，要求按照“先急后緩、突出重點(diǎn)、防治結(jié)合、務(wù)求實(shí)效”的原則，對經(jīng)調(diào)查評價(jià)確認(rèn)穩(wěn)定性較差、危險(xiǎn)性較大、可能造成重大生命和財(cái)產(chǎn)安全隱患的采空區(qū)，要優(yōu)先安排資金，率先開展隱患治理。因此，準(zhǔn)確評價(jià)各采空區(qū)的穩(wěn)定情況，為采空區(qū)防治措施選擇和資金安排提供科學(xué)依據(jù)顯得尤為重要。

石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性評價(jià)，目前常用4種方法：第一種是參照地質(zhì)和開采條件類似的礦山相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，判斷采空區(qū)穩(wěn)定性的經(jīng)驗(yàn)類比法[2-3]，如Mathews穩(wěn)定圖法。該方法需要大量的經(jīng)驗(yàn)，且各采空區(qū)情況不盡相同，一般無法準(zhǔn)確判斷。第二種是借助各種計(jì)算機(jī)模擬軟件，通過簡化各種地質(zhì)和力學(xué)參數(shù)、設(shè)置模擬條件，計(jì)算采空區(qū)受力狀態(tài)，判斷采空區(qū)穩(wěn)定性的數(shù)值模擬法[4-5]。采空區(qū)地質(zhì)條件和受力狀態(tài)復(fù)雜多變，模擬參數(shù)難以簡單量化，模擬結(jié)果有時(shí)與實(shí)際情況出入較大。第三種是應(yīng)用最為廣泛的數(shù)學(xué)預(yù)測法，首先選擇影響采空區(qū)穩(wěn)定性的各種因素，然后利用各種數(shù)學(xué)預(yù)測方法定量計(jì)算采空區(qū)穩(wěn)定性，最后與預(yù)先設(shè)定的評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行對比得到采空區(qū)的穩(wěn)定性。綜合評判法、集對理論、模糊綜合評判法、綜合指數(shù)法都屬于數(shù)學(xué)預(yù)測法的范疇[6-9]。該方法受評價(jià)因素及其權(quán)重影響較大，評價(jià)因素越全面、各因素權(quán)重越合理，預(yù)測結(jié)果就越準(zhǔn)確。第四種是力學(xué)分析法，該方法認(rèn)為礦柱和護(hù)頂層是影響石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性的主要因素，通過計(jì)算礦柱安全系數(shù)和護(hù)頂層抗壓縮破壞安全系數(shù)，判斷采空區(qū)的穩(wěn)定性[10-11]，經(jīng)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和實(shí)地驗(yàn)證，認(rèn)為評價(jià)結(jié)果較為客觀準(zhǔn)確，但力學(xué)參數(shù)是否具有代表性將直接決定評價(jià)結(jié)果準(zhǔn)確與否。

以上4種評價(jià)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，單獨(dú)應(yīng)用其中一種可能得不到準(zhǔn)確的評價(jià)結(jié)論。綜合評判法考慮的影響因素較為全面，評價(jià)過程簡便，結(jié)果較準(zhǔn)確；而礦柱穩(wěn)定性是最能直接反映采空區(qū)穩(wěn)定性的指標(biāo)，因此，該文嘗試聯(lián)合綜合評判法和礦柱安全系數(shù)法，以求全面、客觀、準(zhǔn)確地評價(jià)石膏礦采空區(qū)的穩(wěn)定性。

1 礦區(qū)基本情況

平邑縣安泰石膏礦始建于1994年10月，設(shè)計(jì)開采礦層為Ⅲ礦層，年設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為20萬t。采取一對斜井開拓，開采方式為地下開采，設(shè)計(jì)開采標(biāo)高從+170m～-250m。根據(jù)礦體賦存情況，在傾向上，先采上山后采下山，上(下)山均由高處向低處回采。礦床呈層狀賦存于卞橋組二段巖層中，含礦1層，礦層產(chǎn)狀與地層產(chǎn)狀一致，走向100°～108°，傾向NE，傾角16～23°，區(qū)域上對比相當(dāng)于Ⅲ礦層。

礦區(qū)范圍內(nèi)地質(zhì)資源儲(chǔ)量315.7萬t，扣除斷層保安礦柱、村莊保安礦柱、井筒保安礦柱及邊角損失共計(jì)76.4萬t后，可利用資源儲(chǔ)量為239.3萬t。開采回采率為29.9%，可采出礦石量為71.6萬t，綜合回采率為22.7%。礦山采用房柱式采礦方法采礦，礦房之間留連續(xù)礦柱，礦房寬度8m，礦柱寬度6m。盤區(qū)長度一般為200m。礦房高度一般不超過10m，留護(hù)頂厚度一般2.0m，底膏層留1.0m。閉坑時(shí)，礦柱不回收，為永久性礦柱。回采工藝選擇淺眼爆破法落礦，采后依靠所留礦柱有效地支承采場頂板。

礦山現(xiàn)有采空區(qū)共劃分為9處(編號(hào)依次為C1，C2，……，C8，C9)，其中C1采空區(qū)形成于1996年；C2采空區(qū)形成于1997—1998年；C3采空區(qū)形成于1999—2000年；C4采空區(qū)形成于2002年；C5采空區(qū)形成于2003年；C6采空區(qū)形成于2000—2001年；C7采空區(qū)形成于2004—2005年；C8采空區(qū)形成于2008—2009年；C9采空區(qū)形成于2010—2013年，各采空區(qū)基本情況如表1所示。

表1 采空區(qū)基本情況

2015年10月至2016年3月該石膏礦陸續(xù)發(fā)生了七起采空塌陷，地表塌陷面積約2km2。塌陷區(qū)中心最大坍塌深度約3～4m，在公路路面及兩側(cè)農(nóng)田內(nèi)形成整體呈SN向的多條地裂縫，裂縫最寬處約0.3m，受塌陷區(qū)邊緣拉張裂縫影響，公路路面擠壓隆起，附近部分房屋傾斜，墻體斑裂，門窗破碎，嚴(yán)重危害了群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。

2 基于綜合評判法的采空區(qū)穩(wěn)定性評價(jià)

2.1 確定影響因素

采空區(qū)的穩(wěn)定性受地質(zhì)條件、開采條件、周圍環(huán)境等眾多因素影響，該文根據(jù)國內(nèi)相關(guān)研究[2,6,12-13]，采用采空區(qū)形成時(shí)間、采空區(qū)面積、采空區(qū)礦柱面積比率、礦柱寬高比、采空區(qū)是否有水、采空區(qū)當(dāng)前來壓情況、采空區(qū)周邊情況7個(gè)因素，綜合分析采空區(qū)穩(wěn)定性。

2.2 影響因素權(quán)重賦值

影響采空區(qū)穩(wěn)定性的各因素對采空區(qū)穩(wěn)定性的影響程度是不同的，各因素之間也不是單獨(dú)作用、毫無關(guān)聯(lián)的，而是具有一定聯(lián)系的。為反映7個(gè)影響因素的綜合影響，需賦予各個(gè)因素不同的權(quán)重。結(jié)合相關(guān)研究成果[4]及工作經(jīng)驗(yàn)，確定各因素的權(quán)重為：采空區(qū)存在時(shí)間W1為0.18；采空區(qū)面積W2為0.09；礦柱面積比率W3為0.14；礦柱寬比高W4為0.16；采空區(qū)來壓情況W5為0.20；采空區(qū)是否有水W6為0.12；采空區(qū)周邊情況W7為0.11。

2.3 單個(gè)影響因素分級(jí)賦值

每個(gè)影響因素都存在不同的情況，需要對每個(gè)因素按照不同級(jí)別賦予不同的分值。約定對單個(gè)因素來說，影響程度越大，分值越高。結(jié)合相關(guān)研究成果及工作經(jīng)驗(yàn)，確定單個(gè)影響因素分級(jí)賦值結(jié)果如表2所示。

表2 各影響因素分級(jí)賦值

2.4 采空區(qū)穩(wěn)定性的綜合評判標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)采空區(qū)第i個(gè)影響因素的權(quán)重為Wi,實(shí)際分值為Fi，則該采空區(qū)的綜合得分為：

P=∑Wi·Fi

工程實(shí)踐表明，采空區(qū)穩(wěn)定性采用以下評判標(biāo)準(zhǔn)較為合理：當(dāng)P>55分時(shí)，判定為不穩(wěn)定采空區(qū)；當(dāng)42

2.5 評價(jià)結(jié)果

根據(jù)表1中各采空區(qū)的基本特征，應(yīng)用綜合評判法，對C1～C9采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行了評價(jià)，結(jié)果如表3所示，可以看出，C1～C7為不穩(wěn)定采空區(qū)，C8，C9為基本穩(wěn)定采空區(qū)。這與國內(nèi)眾多專家研究結(jié)果較為一致[6,10]，石膏礦礦柱的穩(wěn)定支撐時(shí)間大概為10年，5年以內(nèi)的礦柱穩(wěn)定性較好。近期部分采空區(qū)地表又出現(xiàn)了一些細(xì)小的裂縫，有進(jìn)一步垮塌的危險(xiǎn)，與評價(jià)結(jié)果較為一致。

表3 采空區(qū)穩(wěn)定性評價(jià)

3 基于礦柱安全法的采空區(qū)穩(wěn)定性評價(jià)

國內(nèi)專家的研究表明，石膏礦采空區(qū)失穩(wěn)的形式主要有兩種，一種是礦柱失穩(wěn)，導(dǎo)致頂板大面積坍塌，甚至造成地表塌陷；另一種是礦柱穩(wěn)定，頂板巖層破壞，該類事故多發(fā)生在單個(gè)采場或小面積區(qū)域內(nèi)[14-15]。因此，采空區(qū)是否穩(wěn)定可以通過礦柱強(qiáng)度與礦柱所受應(yīng)力對比來進(jìn)行預(yù)測。評價(jià)過程如下：

3.1 礦柱的平均應(yīng)力

礦柱的面積承載理論認(rèn)為，礦柱所承受的載荷是其所支撐的頂板范圍內(nèi)直通地表的上覆巖柱的重力，該巖柱的底面積S為按巖柱分?jǐn)偟拈_采面積與礦柱自身面積之和。以矩形礦柱為例，礦柱的平均應(yīng)力為：

式中：γ為巖石容重(kN/m3)；z為埋藏深度(m)；Wo為礦房寬度(m)；Wp為礦柱的寬度(m)。

3.2 礦柱強(qiáng)度

Bieniawski礦柱強(qiáng)度公式來源于面積承載理論，該理論在礦山生產(chǎn)中應(yīng)用較多，預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確度較高，計(jì)算公式如下[14]：

式中：Sp為礦柱的強(qiáng)度(MPa)；Sl為礦柱平均抗壓強(qiáng)度(MPa)；Wp為礦柱的寬度(m)；h為礦柱的高度(m)；a為常數(shù)，當(dāng)?shù)V柱寬高比大于5時(shí)，a=1.4，而當(dāng)寬高比小于5時(shí)，a=1.0。

3.3 礦柱安全系數(shù)

根據(jù)Bieniawski推薦的礦柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式及礦柱載荷計(jì)算公式，計(jì)算礦柱結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)F，其公式為：

根據(jù)國內(nèi)生產(chǎn)礦山的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)總結(jié)及彭斌等人的研究成果[15]，當(dāng)石膏礦柱的安全系數(shù)為1.5～2.0時(shí)，礦柱能滿足長期穩(wěn)定性的要求。

3.4 評價(jià)結(jié)果

應(yīng)用礦柱安全法對C1～C9采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行了評判，結(jié)果如表4所示，可以看出，該石膏礦的9個(gè)采空區(qū)礦柱安全系數(shù)均小于1.5，不滿足長期安全要求。

表4 礦柱安全法評價(jià)結(jié)果

4 結(jié)論

該文應(yīng)用綜合評判法和礦柱安全系數(shù)法對石膏礦穩(wěn)定性進(jìn)行了綜合評價(jià)，兩種方法評價(jià)結(jié)果較為一致。綜合評判法表明，目前已有7個(gè)采空區(qū)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，礦柱安全系數(shù)法表明所有采空區(qū)的礦柱均不能滿足長期穩(wěn)定的要求。地表觀測結(jié)果表明，評價(jià)結(jié)論與實(shí)際情況吻合較好。評價(jià)結(jié)果為預(yù)測采空區(qū)穩(wěn)定性發(fā)展趨勢和分類治理提供了科學(xué)的依據(jù)，該方法可以為其他地區(qū)石膏礦采空區(qū)穩(wěn)定性評價(jià)提供借鑒。

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